1 前言

    隨著芯片技術(shù)的發(fā)展以及運(yùn)營(yíng)商之間的業(yè)務(wù)擴(kuò)展，手機(jī)智能卡將會(huì)突破個(gè)人身份識(shí)別的單應(yīng)用平臺(tái)向多應(yīng)用平臺(tái)方向發(fā)展，特別是移動(dòng)支付平臺(tái)。如今芯片生產(chǎn)商已經(jīng)開(kāi)發(fā)出了支持2.4 GHz頻率的RF-SIM 卡，它是接觸式智能卡與非接觸式智能卡的結(jié)合，在設(shè)計(jì)上，接觸式界面遵守ISO7816 接口標(biāo)準(zhǔn)，非接觸式界面采用2.4G ISM頻段進(jìn)行通信。在硬件實(shí)現(xiàn)上，RF-SIM 卡有三芯片、雙芯片和單芯片三種硬件實(shí)現(xiàn)架構(gòu)方式[1] （如圖1）。在安全方面，數(shù)據(jù)采用自動(dòng)TDES 加密技術(shù)進(jìn)行空中傳輸，防止竊聽(tīng)數(shù)據(jù)，在刷卡時(shí)采用雙向認(rèn)證的安全機(jī)制，所以它是可靠的連接和安全的通信。另外，在不用更換手機(jī)的前提下，RF-SIM卡能夠完成更多手機(jī)終端無(wú)法完成的功能，所以基于RF-SIM卡的多行業(yè)多應(yīng)用服務(wù)平臺(tái)具有廣闊的前景。在這個(gè)平臺(tái)體系里，COS（Chip Operating System）是非常重要的，它既要管理底層硬件高效地工作，又要保證上層應(yīng)用安全地運(yùn)行。所以本文的目的就是設(shè)計(jì)一種基于RF-SIM卡的多應(yīng)用COS結(jié)構(gòu)。 

    2 COS結(jié)構(gòu)模型的選擇

    雖然智能卡芯片的硬件資源有限，但是COS結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的要求卻并不低，它需要綜合考慮功能、性能、可移植性、可擴(kuò)展性、靈活性和復(fù)雜度等諸多因素的要求：（1）功能上不但要求SIM 卡端能夠?qū)崿F(xiàn)電信方面的應(yīng)用，而且還要求非接觸式界面端能夠?qū)崿F(xiàn)無(wú)線方面的應(yīng)用，如公交IC 刷卡。（2）性能要求是指能在有效的時(shí)間內(nèi)利用有限的存儲(chǔ)空間完成系統(tǒng)要求的功能。（3）可移植性要求COS能夠方便地移植到其他環(huán)境中運(yùn)行。（4）可擴(kuò)展性是指多應(yīng)用平臺(tái)能夠方便地?cái)U(kuò)展上層業(yè)務(wù)功能，方便地增加、修改和刪除上層應(yīng)用的功能模塊。最后從實(shí)現(xiàn)環(huán)節(jié)上還需要考慮系統(tǒng)的靈活性和復(fù)雜性要求。如今常見(jiàn)的COS結(jié)構(gòu)模型有簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)、層次結(jié)構(gòu)、微內(nèi)核結(jié)構(gòu)和外核結(jié)構(gòu)4種，其特性分析詳見(jiàn)表1。 

    顯然微內(nèi)核結(jié)構(gòu)的綜合特性較優(yōu)，但時(shí)間性能和移植性卻是一般，所以，在微內(nèi)核結(jié)構(gòu)模型基礎(chǔ)上進(jìn)行改良設(shè)計(jì)（如圖2）：在微內(nèi)核層增設(shè)虛擬硬件層增強(qiáng)系統(tǒng)的可移植性和簡(jiǎn)化比較耗時(shí)的進(jìn)程機(jī)制與中斷處理機(jī)制提高系統(tǒng)時(shí)間性能。 

    3 多應(yīng)用COS設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)

    3.1 多應(yīng)用文件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

    多應(yīng)用平臺(tái)的設(shè)計(jì)本質(zhì)上就是設(shè)計(jì)多應(yīng)用文件系統(tǒng)，并在此基礎(chǔ)上安全運(yùn)行多個(gè)應(yīng)用。所以文件系統(tǒng)是COS 的核心，它不僅負(fù)責(zé)存儲(chǔ)、管理和維護(hù)卡內(nèi)存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)而且為上層應(yīng)用提供統(tǒng)一的透明訪問(wèn)機(jī)制。具體設(shè)計(jì)方案如下。

    3.1.1 多樣性存儲(chǔ)設(shè)計(jì)

    SIM 卡的文件結(jié)構(gòu)遵守GSM11.11 規(guī)范，是以MF為根，DF為枝葉和EF為葉的樹(shù)形結(jié)構(gòu)（如圖3）[2]，而RF端的文件結(jié)構(gòu)卻可能沒(méi)有統(tǒng)一的規(guī)范，它可能是某行業(yè)通用結(jié)構(gòu)也可能是運(yùn)營(yíng)商的私有結(jié)構(gòu)。因此，文件格式具有多樣性，為方便管理和解決文件系統(tǒng)間格式混亂問(wèn)題，把存儲(chǔ)空間分成基本文件區(qū)、應(yīng)用文件區(qū)（如GSM文件區(qū)和Mifare 文件區(qū)）和未分配存儲(chǔ)區(qū)三部分。其中不僅每部分區(qū)域連續(xù)分配，而且每個(gè)應(yīng)用文件系統(tǒng)也是連續(xù)分配存儲(chǔ)空間（如圖4）?；疚募^(qū)存儲(chǔ)各文件系統(tǒng)的公共信息和注冊(cè)信息，如空間分配情況表、GSM文件和Mifare 文件注冊(cè)表、全局安全信息等。GSM文件結(jié)構(gòu)區(qū)以隱式鏈接方式存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)，用目錄項(xiàng)表示MF、DF、EF之間的邏輯結(jié)構(gòu)，分配連續(xù)區(qū)域存放目錄項(xiàng)；統(tǒng)一把DF、EF放在實(shí)體文件區(qū)。Mifare 文件實(shí)際上就是一種結(jié)構(gòu)化的記錄塊文件，結(jié)構(gòu)規(guī)范、管理較簡(jiǎn)單、存儲(chǔ)較方便，所以可以把該區(qū)域按記錄形式存儲(chǔ)操作。未分配存儲(chǔ)區(qū)的容量是該芯片的大小減去應(yīng)用文件區(qū)的大小，所以它是應(yīng)用文件區(qū)的空間補(bǔ)集。它的作用主要有兩方面：（1）為新應(yīng)用分配存儲(chǔ)空間：在卡片運(yùn)營(yíng)過(guò)程中，如果需要安裝新的應(yīng)用軟件AppS1，那么從該區(qū)域劃分等于或微大于AppS1 的存儲(chǔ)空間安裝它并且注冊(cè)在應(yīng)用文件區(qū)中，剩下的空間成為新的未存儲(chǔ)分配區(qū)。（2）作為掉電保護(hù)的備份區(qū)之一。

    3.1.2 文件API接口設(shè)計(jì)

    為多個(gè)文件系統(tǒng)設(shè)置統(tǒng)一的文件API接口，使上層應(yīng)用能夠共享一套接口函數(shù)和存儲(chǔ)管理機(jī)制。對(duì)此具體設(shè)置了5 個(gè)API 訪問(wèn)接口函數(shù)：FS_SeleteFile（選擇文件），F(xiàn)S_CreateFile（創(chuàng)建文件），F(xiàn)S_DeleteFile（刪除文件），F(xiàn)S_ReadFile（讀文件），F(xiàn)S_WriteFile（寫(xiě)文件）。

    3.1.3 文件安全性設(shè)計(jì)

    智能卡的安全性就是對(duì)卡片內(nèi)數(shù)據(jù)對(duì)象訪問(wèn)的安全控制能力，卡片安全體系的總體結(jié)構(gòu)分為安全屬性、安全狀態(tài)和安全機(jī)制[3]。對(duì)于文件對(duì)象而言，首先設(shè)置多個(gè)級(jí)別的安全屬性增強(qiáng)安全級(jí)別的靈活性和多樣性設(shè)置，然后采取先鑒權(quán)后操作的訪問(wèn)機(jī)制，也就是說(shuō)只有在鑒權(quán)通過(guò)時(shí)才能夠執(zhí)行后繼操作，若不通過(guò)，則拒絕訪問(wèn)，例如選擇文件，創(chuàng)建文件都必須通過(guò)要SCB（Secure Control Byte）字節(jié)的鑒權(quán)操作，如GSM11標(biāo)準(zhǔn)里的PIN碼、PUK碼和CDM碼的共同構(gòu)成SCB。

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    3.1.4 環(huán)境的適應(yīng)性設(shè)計(jì)

    一般來(lái)說(shuō)，智能卡的應(yīng)用環(huán)境是比較惡劣的，特別是供電不穩(wěn)定和存儲(chǔ)介質(zhì)壽命約束問(wèn)題。所以為保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性和延長(zhǎng)卡片壽命設(shè)計(jì)了掉電保護(hù)和均衡磨損機(jī)制[4]。掉電保護(hù)是指在寫(xiě)數(shù)據(jù)塊時(shí)，先把更新區(qū)數(shù)據(jù)備份到其他區(qū)域，防止在寫(xiě)數(shù)據(jù)過(guò)程中系統(tǒng)掉電而破壞原數(shù)據(jù)區(qū)的數(shù)據(jù)，可以從備份區(qū)把數(shù)據(jù)重新寫(xiě)回。具體算法如圖5 所示（例如數(shù)據(jù)B要寫(xiě)到數(shù)據(jù)A區(qū)域）。 

    由上述算法可知，每完成一次掉電保護(hù)操作至少要寫(xiě)一次備份區(qū)C，因此從整體來(lái)說(shuō)備份區(qū)C的讀寫(xiě)是頻繁的，但是對(duì)存儲(chǔ)介質(zhì)的讀寫(xiě)次數(shù)有嚴(yán)格限制（如flash 的擦寫(xiě)次數(shù)為100 000~1 000 000 次），所以備份區(qū)C不能靜態(tài)分配，需要?jiǎng)討B(tài)選擇。更本質(zhì)上說(shuō)，由于對(duì)存儲(chǔ)塊的讀寫(xiě)訪問(wèn)不均勻，導(dǎo)致出現(xiàn)了“冷”“熱”數(shù)據(jù)塊，因此有必要協(xié)調(diào)好兩者之間的關(guān)系，也就是盡量使數(shù)據(jù)塊擦寫(xiě)趨于均衡，即均衡磨損機(jī)制。綜合考慮芯片的硬件環(huán)境及算法實(shí)現(xiàn)的難易程度，本系統(tǒng)采用“冷熱置換”策略：首先把當(dāng)前應(yīng)用的數(shù)據(jù)塊擦除次數(shù)表（Data-block Erase Table，DET）調(diào)入RAM，對(duì)數(shù)據(jù)塊的擦除都要更新DET，當(dāng)某塊S 的擦除次數(shù)大于某一閾值時(shí)（如256 次），選擇一擦除次數(shù)最少的數(shù)據(jù)塊置換。當(dāng)DET表所有記錄的擦除項(xiàng)為“滿(mǎn)”（所有都為256 次）或者DET總更新次數(shù)大于或等于某臨界值時(shí)（如1 000 次），DET 記錄的擦除次數(shù)項(xiàng)全部清零，并且把DET 從RAM 中保存至flash 存儲(chǔ)器。顯然，這種“冷熱置換”方式能夠很好地保證應(yīng)用系統(tǒng)內(nèi)部數(shù)據(jù)塊的均衡磨損，但是在掉電保護(hù)算法中，因?yàn)閭浞輩^(qū)C不需要置換，只是覆蓋即可，所以對(duì)于備份區(qū)C的選擇采用“循環(huán)寫(xiě)空閑塊”的方式：從未分配區(qū)域和系統(tǒng)文件區(qū)（如GSM文件區(qū)）中通過(guò)循環(huán)查找的方式選擇空閑塊充當(dāng)備份區(qū)。

    3.2 多應(yīng)用安全機(jī)制的設(shè)計(jì)

    具體的單應(yīng)用系統(tǒng)平臺(tái)中，一般都設(shè)計(jì)了規(guī)范的或者行業(yè)間私有的安全機(jī)制，所以本部分重點(diǎn)討論多文件系統(tǒng)環(huán)境下的安全問(wèn)題。

    3.2.1 數(shù)據(jù)內(nèi)容安全管理：對(duì)文件中的數(shù)據(jù)進(jìn)行加密來(lái)保證內(nèi)容的安全，因?yàn)榧词箶?shù)據(jù)被非法讀取，竊取的也只是密文，破解難度大。
    3.2.2 非法越界管理：多應(yīng)用文件系統(tǒng)的最大威脅就是非法越界訪問(wèn)其他文件系統(tǒng)數(shù)據(jù)，所以必須設(shè)計(jì)防止多應(yīng)用文件間非法越界訪問(wèn)的安全機(jī)制[5]：因?yàn)楦魑募到y(tǒng)的存儲(chǔ)空間是連續(xù)分配的，物理地址的范圍可表述為Addr[上界，下界]，所以可以通過(guò)Addr 中的上界和下界進(jìn)行匹配隔離方式防止越界訪問(wèn)，這樣就如同在文件系統(tǒng)的上界和下界處設(shè)置了一道堅(jiān)固的隔離墻。
    3.2.3 交互行為安全：某些事務(wù)邏輯中，需要在一次原子性操作過(guò)程中訪問(wèn)兩個(gè)或以上的文件系統(tǒng)，如用手機(jī)銀行為公交IC 卡充值。在交互過(guò)程中，設(shè)置日志管理機(jī)制來(lái)保證事務(wù)邏輯的原子性。為保證多個(gè)應(yīng)用系統(tǒng)間交互操作的行為安全，建立信任機(jī)制，采用雙向鑒權(quán)方式來(lái)增強(qiáng)行為安全的可信度，同時(shí)使用數(shù)字簽名認(rèn)證方式來(lái)界定安全責(zé)任，因?yàn)檫@種方式具有不可抵賴(lài)性。

    3.3 雙通道通信設(shè)計(jì)

    RF-SIM卡具有接觸和非接觸兩個(gè)界面，因此它存在SCD（接觸式7816 接口）和SCR（非接觸式RF接口）兩個(gè)邏輯傳輸通道。兩個(gè)通道既能夠獨(dú)立地進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸又需要相互協(xié)調(diào)工作，當(dāng)然也跟智能卡芯片內(nèi)核密切聯(lián)系，它們之間的調(diào)用關(guān)系如圖6 所示。 

    為方便移植和其他模塊對(duì)SCD 與SCR 通道進(jìn)行透明調(diào)用，分別設(shè)置如下通道命令處理接口[6]：Scd_RecvByte（7816 接口接收一個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)），Scd_SendByte（7816 接口發(fā)送一個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)），Scd_Mode（SCD 通道收發(fā)模式轉(zhuǎn)換），Scd_Close（SCD通道關(guān)閉），Scd_Reset（SCD通道重設(shè)），Set_Timer（SCD通道發(fā)送60 函數(shù)）Scr_Send（RF 發(fā)數(shù)據(jù)），Scr_Recv（RF 收數(shù)據(jù)），Scr_Data（RF數(shù)據(jù)緩存），Scr_param（RF的參數(shù)），Scr_Star（啟動(dòng)射頻功能）。

    4 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

    經(jīng)過(guò)對(duì)各功能模塊進(jìn)行認(rèn)真研究、仔細(xì)分析和逐步細(xì)化的過(guò)程，最后設(shè)計(jì)出基于RF-SIM卡的多應(yīng)用COS結(jié)構(gòu)圖（圖7）。隨后在此COS結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案：硬件平臺(tái)是以AT90SC320288RCT 安全芯片為基礎(chǔ)的RF-SIM芯片卡，編譯工具使用的是IAR EWAVR4.3A 開(kāi)發(fā)平臺(tái)，應(yīng)用層設(shè)計(jì)了GSM 應(yīng)用和RF 應(yīng)用。GSM 應(yīng)用是以電信EVDO 卡為例設(shè)計(jì)，RF 應(yīng)用則以公交IC卡為例，在EVDO卡部分，文件模塊、安全模塊、命令模塊和通信模塊遵守GSM11.11 系列規(guī)范和ISO 7816 規(guī)范。RF 應(yīng)用方面，射頻通信符合ISO/IEC 14443系列標(biāo)準(zhǔn)，文件系統(tǒng)采用MAFIRE I 格式結(jié)構(gòu)。同時(shí)設(shè)計(jì)了STK菜單，支撐GSM應(yīng)用和公交IC 卡的數(shù)據(jù)交互。最后經(jīng)過(guò)編碼、內(nèi)部測(cè)試、仿真、卡片下載流程之后，基本實(shí)現(xiàn)了電信EVDO卡和公交IC 卡的功能與性能等方面的要求，從而驗(yàn)證了本設(shè)計(jì)方案的可行性。但是本方案只是在結(jié)構(gòu)上預(yù)留了其他應(yīng)用接口，而對(duì)應(yīng)用的動(dòng)態(tài)更新還有待研究。 

    5 總結(jié)

    在多應(yīng)用環(huán)境下，重點(diǎn)對(duì)文件系統(tǒng)、安全機(jī)制和雙通道通信管理進(jìn)行了研究與設(shè)計(jì)，最后基于RF-SIM卡設(shè)計(jì)了一種多應(yīng)用COS結(jié)構(gòu)和實(shí)現(xiàn)了一個(gè)簡(jiǎn)單原型，具有較高的穩(wěn)定性和安全性，對(duì)其他研究人員設(shè)計(jì)多應(yīng)用COS有一定的借簽價(jià)值。